Si desea ver qué sucede si su teléfono cae sobre concreto, de hecho, puede dejarlo o dejar que un ingeniero resuelva las consecuencias de antemano.

Lo más probable es que vaya con el ingeniero.

Descubrir cómo se comportan los materiales quebradizos dentro de un dispositivo, y fallar es uno de los objetivos del Programa de predicción de garantía de materiales frágiles de Sandia National Laboratories (BritMAPP). El programa, que comenzó hace dos años y se extiende hasta 2020, estudia los materiales frágiles de tres formas:tensión y carga; mecánica de fracturas para ver cómo comienzan y se desarrollan las grietas; y la relación entre las propiedades del material y la estructura.

Materiales frágiles como el vidrio, fallar repentina y catastróficamente. A diferencia de los metales, que se abolla o se dobla si se cae, los materiales quebradizos simplemente se rompen. "Dejas caer un martillo, y podría doblarse; dejas caer el vidrio y se romperá. Se hace, "dijo Ryan Jamison, que trabaja con Brenton Elisberg y otros colegas en la parte de estrés y carga del proyecto.

Se centran en cómo un fallo repentino afecta el rendimiento, fiabilidad y seguridad de los componentes y sistemas en los que la rotura tiene consecuencias graves, como dispositivos médicos o satélites.

Los materiales frágiles más resistentes que puedan manejar las eslingas y las flechas de la vida cotidiana beneficiarán a todo tipo de dispositivos y, en última instancia, las personas que usan esos dispositivos. Algún día, Puede que no sea tan preocupante cuando accidentalmente deja caer un teléfono celular.

Sandia quiere desarrollar la ciencia, tecnología y comprensión para asegurar que los componentes frágiles en los sistemas de alto impacto sigan siendo completamente funcionales durante una vida útil de 30 años. Los investigadores de BritMAPP están desarrollando modelos mecánicos y descubriendo propiedades fundamentales y relaciones de estructura para poder pasar del juicio de ingeniería cualitativo a predicciones cuantitativas de falla y confiabilidad de materiales frágiles.

Los juicios de ingeniería cualitativos son decisiones basadas en la experiencia y la comparación de resultados (A es mejor que B), mientras que las predicciones cuantitativas son precisas según el comportamiento físico de un material. "Queremos pasar de hacer comparaciones, 'A es mejor que B pero realmente no sabemos qué tan bueno es A, 'a tomar decisiones basadas en cualidades mensurables, 'A es mejor que B porque A durará 10 años más que B, ", Dijo Jamison. Ser capaz de cuantificar con precisión la diferencia es la clave".

Si bien enfatizó que hay mucho trabajo por hacer, "Ya hemos comenzado bien por ese camino".

Usar modelos para predecir cuánto durarán las piezas

Dado que no es posible probar todos los escenarios posibles, los investigadores recopilan datos para modelos informáticos a través de experimentos de laboratorio, medir las propiedades de los materiales para comprender cómo se comportan las cosas. Los modeladores hacen una representación por computadora de un objeto y luego aplican leyes físicas para predecir cómo se comportan mecánicamente los materiales:qué sucede cuando se estiran o aprietan.

"Aquí es donde el modelado es valioso, ", Dijo Jamison." Podemos hacer predicciones precisas de cosas para las que simplemente no podemos obtener datos. Puede ayudarnos a comprender por qué está fallando, no solo que está fallando, sino también qué está causando la falla. Podemos examinar las cosas de manera muy diferente a como lo haría con una prueba, donde no puede cortar todo en pedazos microscópicos y ver cuántas partes necesita examinar antes de comprender realmente ".

Tome un teléfono celular como ejemplo. "Los teléfonos están hechos de plástico, vidrio y otros tipos de materiales. Las ecuaciones gobiernan cómo se comportan estos materiales y aplicamos esas ecuaciones a esos materiales en la forma de un teléfono, ", Dijo Jamison." Luego aplicamos diferentes entornos, como dejar caer su teléfono. Simulamos eso en una computadora, ya través de las ecuaciones que representan estos materiales podemos determinar si el vidrio u otro componente del teléfono se rompe ".

Para dar respuestas cuantitativas precisas, los investigadores deben comprender las tensiones que enfrentan los materiales. Es difícil medir el estrés en sí mismo, por lo que los investigadores miden la deformación o deformación resultante. Por ejemplo, empujarán una herramienta rígida en un material frágil y medirán cómo se extienden las grietas para inferir el estado de tensión.

También miden las propiedades de los materiales. "Son un poco más fáciles porque está midiendo la respuesta directa de un material debido a una carga conocida que se está aplicando, ", Dijo Elisberg." Una vez que tenemos las propiedades del material, tenemos más confianza en que nuestros modelos predicen con precisión el estrés. El problema es que todavía tenemos que averiguar qué tensión se requiere para romper el material ".

Modelos sofisticados, las supercomputadoras hacen posible la simulación de la complejidad

Gracias a un modelado más sofisticado y a supercomputadoras en constante mejora, las simulaciones se han vuelto más complejas, capturando el comportamiento de los materiales indetectable incluso hace poco tiempo.

Todavía, los modelos extremadamente sofisticados necesitan tiempo para funcionar incluso con supercomputadoras. El verano pasado, Elisberg ejecutó una simulación durante 72 horas en cientos de procesadores, simulando una serie muy larga de ciclos de prueba térmica. Eso hubiera sido imposible hace dos años debido a la inadecuada potencia de procesamiento de la computadora y los modelos que no eran lo suficientemente sofisticados para capturar la física que interesa a Sandia.

El equipo también está determinando cuánta complejidad es necesaria.

"Si los diseñadores de componentes solo quieren saber si el Diseño A es mejor que el Diseño B, Te lo puedo decir rápido, ", Dijo Elisberg." Si desea saber más específicamente si el Diseño A va a fallar y cuándo, entonces es cuando ejecutamos una simulación más compleja que puede ejecutarse en una computadora durante días, pero ahora tenemos la capacidad de predecir o al menos tener una idea mucho mejor de cuándo el diseño está cerca de fallar ".

Jamison y Elisberg trabajan con sellos de vidrio a metal, componentes vitales para enviar señales eléctricas a través de sistemas herméticamente sellados. Los sellos de vidrio a metal son omnipresentes en todo, desde dispositivos médicos hasta telecomunicaciones que enfrentan altas temperaturas, presión o choque. También son importantes en usos de seguridad nacional que tienen requisitos de supervivencia y vida útil mucho más estrictos. Dijeron Elisberg y Jamison.

"El requisito de por vida es el lugar al que intentamos llegar con este Programa de predicción de garantía de materiales frágiles, ", Dijo Jamison." Ahora mismo podemos hacer predicciones de lo que sucedería con estos sellos de vidrio a metal y brindar orientación cualitativa a diseñadores e ingenieros. Pero tenemos esa aplicación de mayor consecuencia. Necesitamos poder decir con cierto nivel de certeza que estos componentes durarán 30 años, y tener una explicación científica y de materiales del por qué ".

El siguiente paso son los experimentos para validar las predicciones de por vida. "Creemos que el comportamiento se está modelando con precisión, pero aún debe validarse en aplicaciones más complejas, "Dijo Elisberg.

"Es ese matrimonio de experimentos y modelado, ", Dijo Jamison." Con los descubrimientos que han hecho los experimentales, con los avances en el modelado que hemos realizado, podemos tomar esa información que los experimentadores están observando, ponerlo en los modelos y hacer predicciones más precisas ".